Архитектура ЭВМ Лекция 10: Устройство жесткого диска. Виртуальная память.

Виртуальная память и Жесткий диск

Обзор раздела: В этом разделе рассматривается структура жесткого диска, его влияние на механизм виртуальной памяти и основные концепции виртуальной памяти.

Структура жесткого диска

• Жесткий диск: обзор структуры и принципов работы.

• Кэш-память на жестком диске: сравнение с оперативной памятью.

• Процент промахов и время доступа к жесткому диску.

Механизм виртуальной памяти

• Определение виртуальной памяти и ее цель.

• Расширение адресного пространства через механизм виртуальной памяти.

• Распределение памяти между RAM и диском через виртуальную память.

История жестких дисков

Обзор раздела: Рассмотрение генезиса жестких дисков, классификации (HDD vs. SSD), физической структуры и технологии записи информации.

Генезис и классификация

• Эволюция жестких дисков: от появления до современности.

• HDD vs. SSD: различия, особенности, сравнительный анализ.

Физическая структура

• Устройство HDD: описание шпинделя, магнитных дисков.

• Ферромагнитный материал для записи информации на поверхность диска.

Технология записи данных

• Принцип физической записи на жесткий диск через ферромагнитный материал.

Обзор технологии жестких дисков

Обзор раздела: В данном разделе рассматривается устройство и принцип работы жестких дисков, а также основные концепции адресации данных.

Технология вращающихся шпинделей

• Жесткий диск содержит несколько вращающихся блинов, каждый из которых имеет свой шпиндель.

• Рядом со шпинделем находится механическая система с читающими и пишущими головками для доступа к данным на поверхности диска.

Адресация данных

• Актуатор с головками может двигаться по траектории для доступа к различным областям на поверхности диска.

• Система адресации данных использует цилиндры, головки и секторы для организации информации на диске.

Особенности чтения и записи данных

Обзор раздела: Здесь рассматривается процесс адресации данных на жестком диске и его влияние на скорость доступа к информации.

• Данные организуются в цилиндры, что позволяет эффективно адресовать информацию на поверхности диска.

• Выбранный цилиндр с определенной головкой формирует кластер или блок данных для чтения или записи.

Проблемы традиционных жестких дисков

Обзор раздела: Обсуждаются ограничения традиционных жестких дисков и неудобства при работе с ними.

• Чтение данных блоками является затратным процессом из-за постоянного вращения шпинделя.

• Необходимость поддержки BIOS различных геометрических конфигураций создает неудобства при установке новых жестких дисков.

Современные технологии хранения данных

Обзор раздела: Рассмотрены новые технологии хранения данных, направленные на улучшение производительности и удобства использования.

• SSD (Solid State Drive) представляет собой флешку, основанную на постоянной памяти без механических элементов.

Обзор дисковой интерфейса и виртуальной памяти

Раздел Обзор: В этом разделе рассматривается дисковая интерфейса и важность виртуальной памяти.

Дисковая интерфейса

• Дисковый интерфейс обеспечивает прямое подключение к данным без блочной обработки операционной системой.

• Виртуальная память представляет собой возможность хранения части оперативной памяти на диске, определяемую блочным доступом.

Терминология виртуальной памяти

• Кэш-лин (cache line) соответствует размеру страницы виртуальной памяти и адресному пространству.

• Длина строки или кэш-лина определяет размер страницы, например, 4 килобайта для 32-разрядных систем.

Логическое и физическое адресное пространство

Раздел Обзор: Здесь рассматривается модель логического и физического адресного пространства.

Логическое адресное пространство

• Логические адреса отображаются на страницы виртуальной памяти, что помогает процессу работать с данными независимо от физического расположения.

Физическое адресное пространство

• Физическая память представлена микросхемами, формирующими объем физической адресации без дырок или разрывов.

Трансляция адресов и работа с виртуальной памятью

Раздел Обзор: Рассмотрены механизмы трансляции адресов и работа с виртуальной памятью.

Трансляция адресов

• Механизм трансляции переводит линейные или виртуальные адреса программы на физические для работы с данными.

Работа с виртульаной памятью

Обзор темы виртуальной памяти

Обзор раздела: В данном разделе рассматривается механизм виртуальной памяти и процесс трансляции адресов из виртуального пространства в физическое.

Подход к работе с памятью

• Виртуальная страница отображается на физическую страницу, что обеспечивает гибкость использования памяти.

• Система трансляции связывает указатель приложения с физическим адресом, обеспечивая доступ к данным.

• Механизм трансляции может перенаправить адрес на другую физическую страницу с сохраненными данными.

Организация адресного пространства

• Адресное пространство определяется размером страницы, например, 7 или 16 бит.

• Для построения механизма виртуальной памяти используются логическое и физическое адресное пространство.

Механизм работы с диском и файлами подкачки

Обзор раздела: Рассмотрены особенности работы с файлами подкачки и необходимость соответствия структуры файла структуре оперативной памяти.

Файлы подкачки и дисковая память

• Файл подкачки должен иметь одинаковую структуру адресации как у оперативной памяти для эффективного обращения.

• Непрерывность блоков данных в файле подкачки обеспечивает быстрый доступ к данным без фрагментации.

Схема трансляции адресов и работа с номерами страниц

Обзор раздела: Объяснено функционирование схемы трансляции для связывания виртуальных и физических адресов при работе с оперативной памятью.

Трансляция номеров страниц

• VPN (Virtual Page Number) представляет номер виртуальной страницы, а PPN (Physical Page Number) - номер физической страницы.

Обзор архитектуры x86

Обзор раздела: В этом разделе рассматривается структура интеловской архитектуры x86 и ее компоненты.

Интеловская архитектура x86

• В интеловской архитектуре x86 существует линейное адресное пространство, где каждая переменная имеет свой адрес. Этот адрес состоит из трех полей: офсет (смещение внутри страницы), номер страницы в таблице страниц и номер таблицы страниц.

• Офсет представляет собой смещение на странице, следующее поле - номер страницы в таблице, и самое сложное - номер таблицы страниц. Эти поля определяют физическое расположение данных.

• Для обеспечения трансляции адресов используется таблица, которая делится на куски для уменьшения объема хранения в оперативной памяти. Также может использоваться дополнительный уровень трансляции через таблицу каталогов страниц.

Система трансляции адресов

• Таблица каталогов страниц содержит пары VPN (Virtual Page Number) и PPN (Physical Page Number), что позволяет определить физическое расположение данных на жестком диске.

• VPN и PPN являются основой для отображения между линейными и физическими адресами. При большом количестве страниц необходимо эффективно управлять таблицами для минимизации занимаемого места в памяти.

Организация таблиц в системе трансляции

Обзор раздела: Рассмотрим структуру и организацию таблиц в системе трансляции адресов.

Организация таблиц

• Для уменьшения объема хранимых данных используется разбиение общей таблицы на более мелкие части. Каждая часть содержит информацию о соответствии линейных и физических адресов.

• Таблица каталогов страниц ссылается на глобальную таблицу страниц, которая содержит информацию о номерах страниц. Это создает иерархию доступа к данным по линейным адресам.

Процесс обращения по линейным адресам

Обзор раздела: Разберем процесс обращения к данным по линейным адресам через систему трансляции.

Обращение по линейным адресам

• Для доступа к данным достаточно использовать регистр CR3, который содержит физический адрес нужной таблицы. Последующие шаги позволяют определить конкретный физический адрес данных.

Процессор и защищенный режим

Обзор раздела: В этом разделе обсуждается процесс перехода процессора в начальное состояние при подаче питания или нажатии кнопки reset, а также вводится понятие защищенного режима.

Переход в начальное состояние

• При подаче питания или нажатии кнопки reset процессор переходит в начальное состояние, определенное архитектурой.

• Регистры, такие как IP (Instruction Pointer) и CR3, заполняются определенными значениями после сброса.

Защищенный режим

• Начальный загрузчик BIOS загружает код с диска в память и передает управление для начала исполнения.

• Защищенный режим процессора, например Intel, предполагает разделение операций на привилегированные и непривилегированные.

Привилегии и управление памятью

Обзор раздела: В данном разделе освещается концепция привилегий и управления памятью в контексте защищенного режима процессора.

Привилегии операций

• Операции делятся на привилегированные и непривилегированные; доступ к памяти контролируется через флажки доступа.

• Каждая инструкция содержит уровень привилегий (DPL), что определяет возможность выполнения операции.

Управление памятью

• Процессы с высоким уровнем привилегий могут изменять глобальные регистры, вызывая ошибки доступа при нарушении прав доступа.

TLB: Translation Lookaside Buffer

Обзор раздела: Обсуждение TLB как механизма кэширования трансляций адресов для повышения эффективности работы с памятью.

Работа TLB

• TLB - полностью ассоциативный кэш для хранения транслируемых адресов страниц; помогает ускорить работу с данными из оперативной памяти.

• TLB содержит пары virtual адресов и соответствующих им physical адресов страниц для быстрой трансляции.

Эффективность работы

Обзор лекции по архитектуре процессоров

Обзор раздела: В данном разделе преподаватель рассматривает особенности адресации памяти и устройство физической памяти.

Распределение пространства адреса

• Преподаватель обсуждает отличия в реализации адресации памяти, где вместо тега номера страницы используется другой подход.

• Показывает сложность мира адресации памяти и необходимость понимания трансляции между различными уровнями.

Устройство физической памяти

• Объясняет организацию физических страниц и их адресацию, подчеркивая сложность этого процесса.

• Рассматривает работу битового локатора для эффективного управления фрагментацией памяти.

Система свопинга

• Обсуждается система свопинга, где выделенная приложением память должна быть распределена в физической памяти.

• Преподаватель объясняет процесс выборочного сброса страниц на диск при нехватке оперативной памяти.

Очистка памяти

• Рассматривается работа сборщика мусора в системе, который освобождает ненужные ресурсы для повышения эффективности работы приложений.

Виртуальная память и управление процессами

Обзор раздела: В этом разделе рассматривается виртуальная память и управление процессами в операционной системе.

Выделение памяти

• Операционная система выделяет адресное пространство для запрашиваемой памяти, но не предоставляет физических страниц.

Over-commit

• Приложения могут "over-commit" память, думая, что доступно больше памяти, чем есть на самом деле.

Управление памятью

• Процессы могут быть приостановлены до появления свободной памяти; система начинает использовать подкачку при нехватке памяти.

Структура виртуальной памяти

Обзор раздела: Разбирается структура виртуальной памяти и её организация в защищенном режиме.

Регистры и таблицы дескрипторов

• Существуют специальные регистры (например, cr1, cr2), которые управляют работой сегментов и определяют режим работы процессора.

Глобальная таблица дескрипторов

• Процессы описываются через дескрипторы, указывающие на размеры сегментов и правила доступа к ним.

Управление задачами и прерываниями

Обзор раздела: Обсуждается переключение задач, обработка прерываний и таблицы обработчиков прерываний.

Task Register

• Task Register указывает на TSS (Task State Segment), содержащий информацию о текущем процессе.

Прерывания